Спиртовое брожение

Этиловый спирт обычно получают из гексоз путем дрожжевого брожения:

C₆H₁₂O₆ → 2 CH₃CH₂OH + 2 CO₂

Брожение – это процесс биологического окисления субстрата гетеротрофными микроорганизмами с целью получения энергии для своей жизнедеятельности.

В результате спиртового брожения получают два ценных пищевых продукта:

- этиловый спирт;

- кормовые и пищевые дрожжи.

Продуценты:

- дрожжи: Saccharomices cerevisiae; Sacchsromzces rosei; Shizosacchsromyces pombe;

- актиномицеты и мицелиальные грибы: Aspergillus oryzae;

- бактерии: Zymomonas mobilies/

Перспективность использования бактерий связана с тем, что они менее чувствительны к образующемуся этанолу и они обеспечивают большие удельные скорости потребления глюкозы и образования этанола.

q _C2H5OH = 1,87 г/г·час – метаболический коэффициент, т.е. 1,87 г глюкозы (субстрата) преобразуется на образование 1 г спирта.

Сырье для спиртового брожения

Это могут быть доступные растительные источники (картофель, зерно, свекловичная меласса, древесина, сульфитный щелок, солома, торф). Также может быть сахароза, тростниковая меласса, маниок, батат, сладкое сорго.

Принципиальная технологическая схема получения этанола

ПОДГОТОВКА ПОСЕВНОГО МАТЕРИАЛА

↓

СЫРЬЕ → ПОДГОТОВКА СЫРЬЯ → ФЕРМЕНТАЦИЯ →

→ ДИСТИЛЛЯЦИЯ СПИРТА → ЭТАНОЛ

Подготовка сырья состоит из:

- измельчение механическим способом (дробление);

- разваривание сырья при 68-70 °С в течение 0,5 часа (для извлечения и растворения крахмала);

- охлаждение раствора крахмала до 30 °С;

- осахаривание раствора. Это ферментативный гидролиз амилолитическими ферментами солода и ферментными комплексами грибов (используется род Aspergillus). В результате получаем осахаренный затор;

- подкисление затора до рН 3,8-4,0.

Затор содержит глюкозу, мальтозу, декстрины, пептиды, аминокислоты, минеральные соли и микроэлементы.

Ферментация

Ферментация – это сбраживание сахаров в условиях чистой культуры. Ведут периодическим или непрерывным способом.

Чистота культуры и стерильность процесса поддерживается в нестерильных условиях за счет двух основных моментов:

- высокой начальной концентрации сахаров в заторе (2-3,5 % редуцирующих веществ). Это приводит к повышению осмотического давления раствора и подавлению контаминирующей (загрязняющей, посторонней) микрофлорой;

- позднее, когда сахара потребляются и осмотическое давление снижается, образующийся этанол предотвращает развитие контаминантов. Кроме того, ферментацию ведут при рН, далеком от оптимального (оптим. рН~рН нейтр.), что также необходимо для обеспечения стерильности процесса.

Оптимальная температура ферментации при спиртовом брожении – 30-38 ºС. Длительность ферментации в периодических условиях чочтавляет 1,5-3 суток.

После ферментации в реакторе накапливается этанол с его содержанием в бражке в среднем, 2 %. Правда, некоторые продуценты, в том числе, сахаромицеты, способны образовывать этанол с концентрацией его в бражке 12-13 %.

Остаточные сахара в бражке относятсяк:

0,1 % - галактоза;

0,4 % - декустрины;

0,5 % - пентозы.

Кроме того, в бражке имеются «сивушные масла» (изоамиловый спирт – 62 %, пропиловый спирт – 12 %, изобутиловый спирт – 15 %, все остальное – альдегиды и кетоны).

Материальный баланс спиртового брожения

C_nH_2nO_n + 0,005NH₃ → 0,04X + 0,49C₂H₅OH + 0,47CO₂ ,

где Х – биомасса дрожжей.

Энергия субстрата распределяется:

90 % переходит в этанол (энергия химических связей)

10 % в биомассу и теплоту.

Технология получения этанола предполагает дальнейшую дистилляцию полученного продукта до концентрации 96 %.

Схема получения этанола в промышленном масштабе

Из 1 тонны ржи получают 270 литров этанола.

Гидролизаты древесины – один из перспективных источников субстрата. Кроме того, продуктами данной технологии являются этанол и пищевые дрожжи.

Из гидролизатов растительного сырья (древесина в первую очередь) получают так называемый гидролизный спирт, который после ректификации содержит 0,05-0,1 % метанола, а также сивушные масла.

Из 1 тонны древесины в смеси с сульфитным щелоком (в пересчете на с.в.) получают ~ 180 литров этанола, ~35-40 кг дрожжей, ~0,2 литра метанола, ~0,3 кг сивушных масел. В качестве отхода при гидролизе древесины получают 380 кг лигнина и 225 кг гипса.

Схематично процесс можно представить так:

Интенсификация спиртового брожения

1. Проведение 2-х стадийного процесса с выращиванием дрожжей в аэробных условиях на 1-ой стадии до их концентрации 2,5-5 % и дальнейшим спиртовым брожением.

2. Использованием непрерывной ферментации вместо периодической с применением дрожжевой культуры, иммобилизованной на пузырьках газа. Используется культура Candida tropicalis.

Ферментер снабжен аэратором и ложным днищем.

3. Проведение вакуумной ферментации с целью удаления этанола и снижения его ингибирующего действия.

4. Применение этанол-толерантных штаммов м/о, например, бактерии рода Zуmomonas.

Дата добавления: 2015-07-25